[发明专利]并联机器人的正、逆动力学响应分析与控制方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及到机器人的控制技术领域，特指一种并联机器人的动力学响应分析和控制方法，特别适用于含复杂闭环约束的并联机器人系统的动力学分析，包括正向动力学及逆向动力学响应分析方法，并用于指导其控制器设计。

背景技术

并联机器人机构的严格定义为：上下平台用2个或2个以上的分支相连，机构具有2个或2个以上的自由度，且以并联方式驱动的机构(参见图1和图2)。从结构上看是一种有着两个平台，中间有多个支杆连接而成的机构。其中一个平台固定在参考坐标系或基座上，称为固定平台，另一个平台可在其工作空间内任意运动，称为运动平台。并联机构的形式有多种，按连接上下平台的连杆数来分一般有3连杆式和6连杆式；按连杆本身结构来分有伸缩式和定长式；按照连杆与固定平台的连接方式来分有转动副、移动副、螺旋副、圆柱副、球面副、平面副、以及虎克铰等。按每个单独链路的连接方式分有SPS，PSS，RPS，PRR等形式，其中，S表示球面副连接，P表示移动副连接，R表示平面旋转副。

1965年，德国Stewart发明了六自由度并联机构，并作为飞行模拟器用于训练飞行员。1978年澳大利亚著名机构学教授Hunt提出将并联机构用于机器人手臂。并联机构的特点：(1)与串联机构相比刚度大，结构稳定；(2)承载能力大；(3)微动精度高；(4)运动负荷小；(5)在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。动力学的正解和逆解是机器人动力学的两个主要问题。前者是已知机器人各关节的作用力或力矩，求出各关节的位移、速度、加速度以及运动轨迹；后者是已知机器人各关节的位移、速度、加速度，求出各关节的作用力或者力矩。6自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类，是国内外学者研究得最多的并联机构，广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域。但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决，比如其运动学正解、动力学响应分析以及并联机床的精度标定等。

并联机器人的正逆动力学是并联机器人研究的一个重要分支，其中动力学响应分析是并联机器人实现控制的基础，因而在研究中占有重要的地位。有关动力学响应分析的研究，在串联机器人领域已经取得了很大的进展。对并联机器人的研究内容大都涉及机构和运动学，由于并联机构的复杂性，对并联机器人的动力学研究相对较少。并联机器人是一个复杂的动力学系统，存在严重的非线性，有多个关节和多个连杆组成，具有多个输入和多个输出，它们之间存在着错综复杂的耦合关系。因此，要分析研究机器人的动力学特性，必须采用非常系统的方法。现有的分析方法有：拉格朗日方法，牛顿-欧拉方法，高斯方法，罗伯森-维滕堡方法、凯恩方法、旋量(对偶数)方法等。其中，牛顿欧拉法和拉格朗日法是最应用最多的方法。

牛顿-欧拉法是一种力的动态平衡法，它需要从机器人的运动学出发，求出加速度并以此消除系统内各作用力。这种方法优点是直观，容易理解。但是由于并联机器人的各关节变量之间有较强的耦合关系，需对和关节相关的物理量做大量的简化才能满足牛顿欧拉求解的各种条件，不适于实际并联机器人系统的建模。拉格朗日法只需要速度而不需要求解系统内作用力，通过求解系统的动能和势能得到系统的动力学方程，这种方法简单直接，可以得到比较准确的结果。但是仍存在如下问题：(1)该方法的计算过程依赖于拉格朗日乘子，无法得到解析解；(2)数值计算方法所求的数值解需要经过多次迭代收敛后才能得到解，不利于系统控制器的设计。由于数值计算具有速度慢，效率低，并且不能求出所有可能的解等缺点，于是希望采用解析法来求解并联机器人机构的封闭解。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种并联机器人正、逆动力学响应分析与控制方法，该方法具有很好的模型共用性，对复杂约束的并联机器人系统提供了动力学统一分析方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种并联机器人的正、逆动力学响应分析与控制方法，其步骤如下：

(1)、分解并联机器人：选择广义坐标系或自定义坐标系将并联机器人的各个分支链(连杆)和动平台视为相互独立的s个子系统；

(2)、确定各连杆子系统的动力学方程：运用经典力学方法建立s-1个连杆子系统和1个动平台子系统的动力学方程，对于连杆子系统，其动力学方程为如下形式：